飛機發(fā)動機支架的輕量化設計及3D打印

摘 要：輕量化一直是航空航天領(lǐng)域的主要研究方向，是減少燃油消耗和提高飛行器性能的重要手段。本文針對飛機發(fā)動機支架，綜合運用創(chuàng)成式設計與3D打印技術(shù)，在保持力學性能不變的前提下減重63%，實現(xiàn)了輕量化設計，從而提高了飛機的燃油經(jīng)濟性，同時縮短了研發(fā)和制造周期，該方法有望成為一種新型的零件設計及成型手段。

關(guān)鍵詞：飛機發(fā)動機支架;輕量化;創(chuàng)成式設計;3D打印

1 引言

在航空發(fā)展史上，飛機在不降低力學性能的前提下降低重量一直是研究的重點，飛機零件每減輕一點重量就可以減少大量的燃油消耗[1]，同時還會提高飛行性能，因此重量已成為衡量飛機先進性的重要指標之一。

實現(xiàn)輕量化通常有兩種途徑，一種是是采用更輕更強的先進材料，如合金材料、高分子材料、復合材料等;另一種是采用輕量化結(jié)構(gòu)設計[2]，如中空結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)等。

本文正是基于以上思路，以飛機發(fā)動機支架為例，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，采用創(chuàng)成式設計方法，并結(jié)合3D打印技術(shù)，最終實現(xiàn)飛機零部件的輕量化設計制造。

2 創(chuàng)成式設計過程

創(chuàng)成式設計（Generative Design）是一個人機交互、自我創(chuàng)新的過程[3]。該方法根據(jù)設計者的意圖，通過創(chuàng)成式系統(tǒng)，生成潛在的可行性方案的幾何模型，進行綜合對比后續(xù)優(yōu)化，篩選出多個設計方案推送給設計者進行最后的決策。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域提到最多的可能還是拓撲設計[4]，有時兩者還會被混淆。拓撲設計主要優(yōu)化的是給定的設計，如果這個設計是設計師通過傳統(tǒng)設計方式創(chuàng)建的，那么它本質(zhì)上是設計師對于如何解決問題的最佳猜測，這種預定幾何體的方法本身就已經(jīng)有了限定，同時也就會約束在這個基礎上所得到的優(yōu)化設計方案。然而，依賴于計算機算法實現(xiàn)自我創(chuàng)新設計的創(chuàng)成式設計方法則不會像人類大腦一樣受到約束，它可以避免設計師人為的設計習慣和局限。這是由于創(chuàng)成式設計并不是基于設計師預定義的模型，而是輸入設計意圖，同時設定參數(shù)，并通過軟件算法來探索每種潛在方案，根據(jù)限定參數(shù)提供數(shù)以百計的選項，算法將自動進行調(diào)整判斷，篩選出模型供設計者決策，直到獲得最優(yōu)化的設計。

對于飛機發(fā)動機支架的輕量化設計，運用創(chuàng)成式設計，無疑大大提高了設計的多樣性，使更多的無法在傳統(tǒng)設計思維里出現(xiàn)的造型設計出來。創(chuàng)成式設計是未來智造的核心技術(shù)，也是一種開拓性技術(shù)。它是基于所想要達到的要求，如耐久性，柔韌性和重量，由計算機算法來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。它能夠產(chǎn)生復雜的、高性能的結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)是無法依靠設計者的想象能夠?qū)崿F(xiàn)。

在本設計中，首先根據(jù)有關(guān)幾何尺寸創(chuàng)建飛機發(fā)動機支架的原始模型，如圖1所示。再設置零件材料、邊界條件、有效載荷、約束等初始條件，然后利用軟件進行創(chuàng)成式設計。最后從生成的多個結(jié)果中篩選出最佳方案，如圖2所示，相比原始模型重量減輕了2.82kg，大約63%的重量。

3 3D打印工藝

創(chuàng)成式設計大大提高了設計的多樣性，但是設計出來的產(chǎn)品在傳統(tǒng)工藝下很難加工，而得益于3D打印技術(shù)，產(chǎn)品的復雜性不再成為制造的障礙，所以創(chuàng)成式設計與3D打印技術(shù)往往不可分割。

3D打印也叫做增材制造，有別于傳統(tǒng)的減材和等材制造，其制造過程是在計算機輔助下，通過三維建模、分層切片、逐層堆積材料，最終形成三維立體實物的一個加工過程。在本設計中，以選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)[5]作為成型手段，可直接打印得到結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)異的支架實物，作為功能驗證的樣件，具有制造靈活和節(jié)省材料的優(yōu)點。

4 結(jié)束語

創(chuàng)成式設計突破了傳統(tǒng)設計的局限性，3D打印技術(shù)又為復雜零件的快速制造提供了技術(shù)保障。兩者的有機融合正在顛覆傳統(tǒng)的設計制造模式，引起一系列的關(guān)于制造業(yè)的重大變革。創(chuàng)成式設計與3D打印將設計過程變得更加智能，讓設計的門檻進一步降低。

參考文獻：

[1]張鐵亮，丁運亮，金海波，張珍銘.航天器天線桁架結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化設計[J].固體力學學報，2012，33（06）：603-610.

[2]徐福祥.衛(wèi)星工程概論[M].北京：中國宇航出版社，2003：76-81.

[3]金棟平，紀斌.機翼后緣柔性支撐結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化[J].航空學報，2015，36（08）：2681-2687.

[4]龍凱，左正興，閆清東.靜動態(tài)多目標下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化[J]宇航學報，2007，28（5）：135-136.

[5]王華明.航空高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成形研究進展[J].航空制造技術(shù)，2005（12）：26-28.

作者簡介：

高翔（1982-），男，安徽蕪湖人，碩士，助教，主要從事材料成型方面的研究.

基金項目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學院2019年校級自然科學研究項目（Wzyzr201912）